基于PLC的音樂噴泉系統(tǒng)設計學士學位論文

1、北方民族大學學士學位論文 論文題目: 基于PLC的音樂噴泉控制系統(tǒng)設計 軟件設計 北方民族大學教務處制畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)

2、定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權(quán)使

3、用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日摘要本次設計的目的是制作一個以小型PLC為控制核心，變頻器控制水柱高度，以音頻采集為基礎的小型音樂噴泉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制核心選用SIEMENS公司的S7-200 Micro PLC，水泵的控制選用MICROMASTER 420變頻器。本文主要介紹

4、音樂噴泉控制系統(tǒng)的軟件設計，著重介紹可編程控制器的程序設計和變頻器的參數(shù)設置。本文主要分為六個部分，第一部分對PLC的原理進行了簡單介紹；第二部分主要介紹變頻器原理；第三部分對控制系統(tǒng)進行了總體介紹；第四部分主要介紹了設計變頻器的參數(shù)設計，包括系統(tǒng)參數(shù)設置方法、參數(shù)設置以及參數(shù)設計說明；第五部分主要介紹了控制系統(tǒng)控制流程以及控制核心PLC的編程；最后介紹了系統(tǒng)調(diào)試的相關情況。 關鍵詞：音樂噴泉，軟件設計 ,控制系統(tǒng)，可編程控制器，變頻器ABSTRACTThe purpose of this design is to design a small musical fountain based o

5、n the control system use a small PLC as the control of the core, inverter control water column height and the audio collection is the foundation of the system .We choose S7-200 Micro PLC as the core of the system and use MICROMASTER 420 to control pumps.This paper mainly introduces the control syste

6、m software design of musical fountain，focusing on PLC programming and the transducer parameter settings. This paper is divided into six parts, the first part introduces the working principle of PLC briefly; the second part mainly introduces the working principle of transducer; the third part introdu

7、ces the overall control system; the fourth part stresses the transducer parameter settings, including transducer parameter settings method, the relevant parameter settings and parameters description; the fifth part introduce the control process of the control system and the programming of PLC; Final

8、ly, introducing the debugging of the control system.KEY WORDS: musical fountain, software design, control system, PLC, Transducer目錄前 言1第1章 PLC基礎知識簡介31.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展31.2 PLC的特點、分類與應用41.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)41.4 PLC的工作原理及工作過程5第2章 變頻器基礎72.1 變頻器概述72.2.1 變頻器技術的發(fā)展72.2.2 變頻器的分類82.3 變頻器的工作原理以及控制方式82.3.1 變頻器的工作原理82.3.2 變

9、頻器的控制方式與性能92.4 MICROMASTER 420概述102.5 MM420變頻器的電路結(jié)構(gòu)11第3章 系統(tǒng)總體介紹133.1 音樂噴泉組成133.1.1 音樂噴泉水池設計133.1.2 控制系統(tǒng)組成133.2 變頻器設計143.2.1 變頻器選型143.2.2 變頻器控制接線圖143.2 PLC設計153.2.1 PLC選型153.2.2 PLC輸入/輸出點分配153.2.3 PLC控制接線圖16第4章 變頻器控制參數(shù)設計174.1 MM420變頻器操作面板174.2 變頻器參數(shù)設置方法184.2 變頻器參數(shù)設置194.3 變頻器控制說明204.3.1 系統(tǒng)參數(shù)設計說明204.3.

10、2 相關參數(shù)的說明20第5章 PLC控制系統(tǒng)設計255.1 PLC控制流程255.2 主要控制程序28第6章 系統(tǒng)調(diào)試306.1 PLC的調(diào)試306.2 系統(tǒng)整體調(diào)試30結(jié) 論32致謝34參考文獻：35附錄1 音樂噴泉控制程序36附錄2 英文原文42附錄3 中文原文47前 言所謂音樂噴泉，就是利用音樂的主要音素(頻率、振幅、音色和節(jié)拍)控制噴水的花型組合變化、水柱高低、遠近變化和燈光色彩組合、明暗變化的噴泉。音樂噴泉是把現(xiàn)代控制技術應用于人工噴泉，是在程序控制噴泉的基礎上加入了音樂控制系統(tǒng)，通過音樂控制噴泉的水形及燈光的變化，從而達到噴泉水型、燈光及色彩的變化與音樂情緒的完美結(jié)合，使噴泉表演生

11、動且富有內(nèi)涵。目前音樂噴泉最常采用的控制方式為實時控制，即對音樂的主要音素進行全員實時跟蹤采集、分解處理并轉(zhuǎn)換成模擬量或數(shù)字量訊號，用以控制水泵的運行組合和轉(zhuǎn)速變化，或用以控制液壓伺服閥或電動調(diào)節(jié)閥的運行組合和開啟度，同時相應控制燈光的組合變化。這種控制方式不必對音樂預先進行編輯處理，所以對任何新版音樂文件甚至現(xiàn)場即興演奏都可響應。隨著科學技術突飛猛進的發(fā)展，可編程控制器和變頻調(diào)速器技術正大步走進噴泉控制領域，發(fā)揮著不可替代的作用。利用小型PLC結(jié)合變頻器的音樂噴泉控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)噴泉彩燈、水泵的多點控制，簡單的接線和編程即可完成水形燈光完美的伴隨音樂節(jié)奏和情感，適合追求時尚的家居生活和娛樂

12、場所等場合。以PLC與變頻器為控制核心的音樂噴泉控制系統(tǒng)，將來自媒體設備的音頻信號通過音頻采集系統(tǒng)的識別，進行譯碼和編碼后轉(zhuǎn)換成控制信號，最終將信號輸出到控制系統(tǒng)，使得所設計的音樂噴泉水形的變化能夠伴隨音樂，燈光的閃爍跟隨音樂的節(jié)奏，實現(xiàn)了水形跟隨音樂的旋律變化，燈光跟隨預定程序變化，形成了聲、光、水、色交融的美景，燈光、音響、水景統(tǒng)一的立體效果?；谛⌒蚉LC的音樂噴泉控制系統(tǒng)在實際生活中應用前景廣闊，值得推廣使用。在設計過程中我們選用可編程控制器來實現(xiàn)對音噴泉的控制。作為工業(yè)自動化的重要支柱之一的可編程控制器（PLC）以其高可靠性和操作簡便等特點引到了當今工業(yè)控制的潮流。PLC是一種新型的

13、通用自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制技術、計算機技術和通信技術融為一體，專門為工業(yè)控制而設計，特別是目前在現(xiàn)場總線和工業(yè)控制網(wǎng)絡方面的發(fā)展為自動化領域開辟了嶄新的空間。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?？删幊炭刂破髦栽絹碓绞艿娇刂平缛耸康闹匾?，是由于它具有以下特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強。

14、（2）配套齊全，功能完善，適用性強。（3）易學易用，深受工程技術人員歡迎。（4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。（5）體積小，重量輕，能耗低。由于音樂噴泉系統(tǒng)控制的復雜性，如果采用常規(guī)繼電器控制，音樂噴泉控制的可靠性較差，并且接線復雜。采用PLC控制后，由于PLC是采用程序控制，是軟接線，因此可靠性大大提高了。音樂噴泉的核心控制是由可編程控制器實現(xiàn)的，可編程控制器是整個系統(tǒng)的“大腦”，由程序?qū)崿F(xiàn)用音樂頻率轉(zhuǎn)換的開關量去控制噴泉水柱和彩燈閃爍的變化?？删幊炭刂破骱喕丝刂凭€路，提高了工作的速度和可靠性以及系統(tǒng)操作的靈活性，也提升了噴泉工程的智能化性能。第1章 PLC基礎知識簡介PL

15、C是在繼電器控制技術、計算機技術和現(xiàn)代通信技術的基礎上逐步發(fā)展起來的一項先進的技術。PLC從誕生至今,雖然只有短短的30年的歷史,但是得到了異常迅猛的發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中PLC技術、CAD/CAM技術和機器人技術并稱為當代工業(yè)自動化的三大支柱。它主要以微處理器為核心，用編寫的程序進行邏輯控制、定時、計算和算術運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出（I/O）來控制各種生產(chǎn)過程?，F(xiàn)在廣泛應用在機電控制、電氣控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通信運輸?shù)榷鄠€領域。1.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展1987年國際電工委員會（IEC）頒布的可編程控制器標準草案中對PLC作了如下的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子

16、系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴展其功能的原則設計”。隨著PLC迅速發(fā)展，功能越來越強大，應用范圍也越來越廣泛，形成了能夠滿足各種需要的PLC應用系統(tǒng)，PLC的發(fā)展逐漸體現(xiàn)出來以下趨勢：1. 向小型化、微型化和、多功能化兩個方向發(fā)展；2. 過程控制功能不斷增強；3. 大力開發(fā)智能I/O模塊；4. 與個人計算機日益緊密結(jié)合；5. 編程語言趨向標準化

17、；6. 通訊與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強1 。1.2 PLC的特點、分類與應用1 PLC的特點 PLC技術的高速發(fā)展，除了得益于工業(yè)自動化的客觀需求外，主要是由于它具有許多獨特的優(yōu)點?？删幊炭刂破鞅举|(zhì)上是具有特殊體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制計算機，它與一般的計算機相比具有更強的與工業(yè)過程相連的接口，同時具有更適用于控制要求的程序設計語言?？梢哉f，可編程控制器是將計算機技術和電器控制技術有機地結(jié)合在一起。其特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 1. 可靠性高，抗干擾性強2. 編程簡單、使用方便3. 易于安裝、調(diào)試、維修4. 功能完善，通用性強5. 體積小，能耗低22 PLC的分類目前，PLC的種類很多，規(guī)格性能不一，通?？?/p>

18、根據(jù)它的結(jié)構(gòu)形式、容量或功能進行分類。按照結(jié)構(gòu)形式分類，PLC可分為整體式PLC、模塊式PLC、疊裝式PLC；按照容量分類，PLC可分為小型PLC（I/O點數(shù)一般在256以下）、中型PLC（I/O點數(shù)一般在2561024點之間）、大型PLC（I/O點數(shù)在1024以上）；按功能分類，PLC可分為低檔機、中檔機、高檔機。3. PLC的應用 由于PLC自身的特點和優(yōu)勢，在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。PLC的主要應用領域包括以下幾個方面，開關邏輯和順序控制；模擬控制；定時控制；數(shù)據(jù)處理；信號連鎖系統(tǒng)；通信3。1.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發(fā)展

19、起來的一種新型、通用的自動控制裝置，其硬件組成與微型計算機相似。一般的，PLC主要由CPU、存儲器、輸入模塊、輸出模塊和通信接口等部分組成。1.4 PLC的工作原理及工作過程PLC的工作原理可以簡單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運行應用程序，對控制要求進行處理判斷，并通過執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制任務。但是，在時間上，PLC執(zhí)行的任務是按串行方式進行的，其具體的運行方式與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)都有著一定的差異與不同。根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)，可以簡單地將PLC工作電路分為3部分，即輸入部分、內(nèi)部程序執(zhí)行部分和輸出部分。輸入部分的主要功能就是檢測各外部輸入信號的狀態(tài)，并將結(jié)果存放到輸入映像

20、寄存器中，供程序執(zhí)行過程中查詢。PLC的程序是電器控制線路的軟件實現(xiàn)，程序的執(zhí)行過程相當于電氣控制的邏輯運算過程。PLC按照用戶程序規(guī)定的邏輯關系，對輸入信號和輸出信號的狀態(tài)進行檢測、判斷、運算和處理，得到相應的輸出。這些輸出同樣對應于PLC的某些內(nèi)部軟元件。輸出部分由PLC內(nèi)部輸出繼電器常開觸點、輸出端子和外部驅(qū)動電路組成。輸出端子與同編號的輸出繼電器相對應，通過輸出繼電器常開觸點的分合來驅(qū)動外部負載。PLC的用戶程序由若干條指令組成，依次存放在程序存儲器中。PLC工作時，總是從第一條指令開始按照用戶程序所固有的順序逐條執(zhí)行，直至用戶程序結(jié)束，然后再返回到第一條指令，開始新一輪的程序執(zhí)行過程

21、。程序的每一次執(zhí)行過程稱為一次掃描過程。PLC的工作過程就是這樣周而復始的順序掃描過程，簡稱為掃描工作方式，這種周期性的順序掃描是PLC特有的一種工作方式。PLC的掃描工作過程可分為如下三個部分：上電處理；掃描過程；故障處理4。PLC的掃描工作流程如圖1-2所示。 圖1-1 PLC的掃描工作流程4第2章 變頻器基礎2.1 變頻器概述通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。變頻器是利用電力電子器件把工頻電源變換成各種頻率的交流電源以實現(xiàn)電動機的變速運行的設備，是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。變頻技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術于一體的高科技

22、技術。變頻器以其具有調(diào)速、節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性廣泛應用于各個領域中：直流輸電、不同頻率電網(wǎng)系統(tǒng)的連接、靜止無功功率補償和諧波吸收、超導電抗器的電力儲存、高頻輸電；在運輸及產(chǎn)業(yè)行業(yè)中的交流電動機調(diào)速、超導懸磁浮列車、高速鐵路、電動汽車、產(chǎn)業(yè)用機器人；在家用電器方面有變頻空調(diào)、變頻洗衣機、變頻電動自行車等；軍事方面有通信、導航、雷達、宇宙設備的小型輕量化電源等；石油行業(yè)已實現(xiàn)了采油的調(diào)速、超聲波驅(qū)動等5。2.2.1 變頻器技術的發(fā)展變頻器用于交流異步電動機調(diào)速，其性能遠遠超過以往任何交、直流調(diào)速方式，而且其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試、使用方便、保護功能完善、運行穩(wěn)定可靠、節(jié)

23、能效果顯著，是交流電動機調(diào)速的主流技術。變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器，當今的運動控制系統(tǒng)是綜合了多種學科的高新技術領域，是自動化技術的“前沿”，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率交換的高頻化，控制技術的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻交流電源，必然會伴著系統(tǒng)技術發(fā)展而發(fā)展。伴隨著變頻器日益廣泛的應用，其性能和技術也在飛速發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下方面：（1）模塊化；（2）專用化；（3）軟件化；（4）網(wǎng)絡化；（5）低電磁噪聲、靜音化；（6）圖形化用戶界面；（7）引導式調(diào)試步驟；（8）參數(shù)趨勢圖形。變頻器未來的發(fā)展方向：(1)進一步提高控制理

24、論，發(fā)展控制策略；(2)高速全數(shù)字化控制；(3)新型電力電子器件的應用技術；(4)變頻器的大容量化和小體積化；(5)更符合環(huán)境保護標準，成為真正的“綠色產(chǎn)品”。62.2.2 變頻器的分類（1） 按直流電源的性質(zhì)分類：電流型變頻器；電壓型變頻器。（2） 按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類：PAM方式；PWM方式；高載波變頻率的PWM方式。（3） 按控制方式分類：控制； 轉(zhuǎn)差頻率控制；矢量控制。（4） 按電壓等級分類：低壓型變頻器；高壓大容量變頻器。（5） 按用途分類：通用變頻器；高性能專用變頻器；高頻變頻器；小型變頻器。72.3 變頻器的工作原理以及控制方式2.3.1 變頻器的工作原理變頻器的主要任務是把工

25、頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動機的變頻調(diào)速的需要?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交方式（VVVF，變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電，以供給電動機。變頻器的電路一般由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路4個部分組成。8交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式為 n = 60 f (1 s) / p式中：n異步電動機的轉(zhuǎn)速；f異步電動機的頻率；s電動機轉(zhuǎn)差率；p電動機極對數(shù)。由上式可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速n 與頻率f成正比，只要改變頻率f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f 在050 Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非

26、常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。8變頻器首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?，然后用電子元件對直流電進行開關變?yōu)榻涣麟?。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設一個可調(diào)頻率的裝置，使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào).用來控制電機的轉(zhuǎn)數(shù)。使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)，一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。 變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2-1所示的基本結(jié)構(gòu)。 圖2-1 變頻器的基本構(gòu)成92.3.2 變頻器的控制方式與性能異步電動機調(diào)速轉(zhuǎn)動時,變頻器可以根據(jù)電動機的

27、特性對供電電壓、電流、頻率進行適當?shù)目刂?不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特性以及用途也不同.變頻器控制方式大致大體可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種，后者進行電動機速度反饋。開環(huán)控制有控制方式，閉環(huán)控制有轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制等方式。(1) 控制 對于異步電動機，只要改變其供電電源的頻率，即可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，達到進行調(diào)速運轉(zhuǎn)的目的。但是，對于一個實際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來說，事情遠遠不是那么簡單。這是因為當電動機電源的頻率被改變時，電動機的內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強的情況。在勵磁不足的情況下電動機將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵磁過強時電動機又將出現(xiàn)

28、磁飽和，造成電動機功率因數(shù)和效率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，必須采取必要的措施來保證電動機的氣隙磁通處于高效狀態(tài)（即保持磁通不變）。這就是控制的出發(fā)點。這種變頻器雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但是，由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式，其精度和動態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以得到較大的調(diào)速范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對控制性能要求不太高的通用變頻器。 轉(zhuǎn)差頻率控制：轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻率之和作為變頻器的給定輸出頻率。由于通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩

29、和電流，與控制相比其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外它有速度調(diào)節(jié)器，利用速度反饋進行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小，適用于自動控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制方式通常用于單機運轉(zhuǎn)。因為在采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式時需要檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，所以需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器。而電動機的轉(zhuǎn)速檢測則由速度傳感器和變頻器控制電路中的運算電路完成?？刂齐娐愤€將通過適當?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測到的電動機速度產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號。此外，在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器中往往還加有電流負反饋，對頻率和電流進行控制，所以這種變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性 10 。 矢量控制：矢量控

30、制的基本思想是認為異步電動機和直流電動機具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理，即電動機的轉(zhuǎn)矩為磁場和與其相垂直的電流的積，而異步電動機的定子電流則可以分為產(chǎn)生磁場的電流分量（磁場電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）。因此，通過控制電動機定子電流的大小和相位（即定子電流矢量），即可以分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的9。2.4 MICROMASTER 420概述MICROMASTER420 是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。本系列有多種型號，從單相電源電壓，額定功率120W到三相電源電壓，額定功率11KW可供用戶選用。該變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術

31、水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。MICROMASTER420 具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。MICROMASTER 420 既可用于單機驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。112.5 MM420變頻器的電路結(jié)構(gòu)MM420變頻器電路圖如圖2-2所示，包括

32、主電路和控制電路兩部分，主電路完成電能轉(zhuǎn)換（整流和逆變），控制電路處理信息的收集、變換和傳輸。在主電路中，由電源輸入單相或三相恒壓恒頻的交流電，經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換成恒定的直流電，供給逆變電路。逆變電路在CPU控制下，將恒定的直流電你變成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電供給電動機負載。由圖3-1可知，MM420變頻器直流換屆是通過電容進行濾波的，因此屬于電壓型交-直-交變頻器。MM420變頻器的控制電路由CPU、模擬輸入（AIN+、AIN）、模擬輸出（AOUT+、AOUT）、數(shù)字輸出（DIN1DIN3）、輸出繼電器觸頭（RL1B、RL1C）、操作板（BOP）等組成。端子1、2是為用戶提供的10V直流電源

33、。當采取模擬電壓信號輸入方式輸入給定頻率時，為了提高交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度，必須配備一個高精度的直流電源。模擬輸入3、4端，為用戶提供了兩對模擬電壓給定輸入端，作為頻率給定信號，經(jīng)變頻器內(nèi)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給CPU來控制系統(tǒng)。數(shù)字輸入端5、6、7為用戶提供了3個完全可編程的數(shù)字輸入端，數(shù)字信號經(jīng)光電隔離輸入CPU，對電動機進行控制。端子8和9是24V直流電源端，為變頻器的控制電路提供24V直流電源12。圖 2-2 變頻器電路圖11第3章 系統(tǒng)總體介紹音樂噴泉的控制主要由PLC和變頻器完成，通過音樂的頻率信號控制PLC。通過改變水泵電機的控制頻率可以實現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速變化，

34、進而通過水泵的轉(zhuǎn)速變化來控制音樂噴泉的水柱高度變化，實現(xiàn)音樂變化對噴泉的控制。變頻器接受來自經(jīng)PLC處理的音樂控制信號，輸出頻率不同的交流電，從而水泵的噴水狀態(tài)不斷變化，實現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài)。同時通過PLC控制彩燈，實現(xiàn)彩燈組與音樂節(jié)奏的同步變換。3.1 音樂噴泉組成3.1.1 音樂噴泉水池設計此小型音樂噴泉噴頭分三組。外圈九個噴頭，中圈六個噴頭，噴水口直徑0.5mm，中心主噴頭用集流直上噴頭，它比一般直流噴頭噴水流量大，當水泵大功率運行時，有壯觀的噴水直徑和高度。本設計采用兩組單相潛水泵，外兩圈噴頭由一個12W的潛水泵提供壓力，主噴頭由一個55W的潛水泵提供水壓。兩組彩燈分

35、兩圈，分別安裝在外圈和中圈噴頭下，工作是成交替閃爍。這樣音樂噴泉工作時噴水層次感明顯，視覺效果良好。噴泉水池直徑約0.8m，噴頭組最大直徑0.5m，在外圈和中圈噴頭向內(nèi)傾斜的情況下很好的防止了水池噴水造成的向外濺水。3.1.2 控制系統(tǒng)組成音樂噴泉的控制系統(tǒng)由音樂信號處理電路（包括F/V轉(zhuǎn)換電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號隔離電路），PLC及變頻控制電路，潛水泵和彩燈控制電路，穩(wěn)壓電源電路和音響設備組成。其中PLC及變頻控制電路為設計重點。3.2 變頻器設計3.2.1 變頻器選型由于控制系統(tǒng)較簡單，本次設計選擇MM420變頻器來控制水泵轉(zhuǎn)速。MM420是通用變頻器，是用于控制三相交流電動機速度的變頻

36、器，適用于各種變頻驅(qū)動裝置。MICROMASTER420 具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。3.2.2 變頻器控制接線圖硬件連接圖如圖3-1所示，PLC的輸出口Q1.5連接到MM420變頻器的AIN+端子上，用來控制變頻器的起停。PLC輸出口Q1.0Q1.2連接到變頻器DIN1DIN3端子上，通過PLC輸出地開關量控制變頻器輸出預置的固定頻率，變頻器輸出地預置頻率由設置參數(shù)決定。 圖3-1 變頻器設計連接圖3.2 PLC設計3.2.1 PLC選型S7-200是西門子推出的小型PLC，S7-200系列PLC為單體式結(jié)構(gòu)，配有RS-485通訊接口、內(nèi)

37、置電源系統(tǒng)和部分I/O接口。它體積小、運算速度塊、可靠性高，具有豐富的指令，系統(tǒng)操作簡便、便于掌握，可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的I/O擴展，性能價格比高，是目前中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的理想控制設備。S7-200 PLC有5種CPU模塊。CPU 226的本機數(shù)字量I/O為24入/16出，最多可擴展7個擴展模塊，根據(jù)PLC數(shù)字量輸出模塊的驅(qū)動方式不同，它又分為晶體管輸出（DC/DC/DC）方式和繼電器輸出（AC/DC/繼電器）方式。根據(jù)本設計的控制要求，選擇CPU 226 DC/DC/DC型PLC作為控制核心。3.2.2 PLC輸入/輸出點分配根據(jù)系統(tǒng)控制要求，使用PLC的數(shù)字量輸入模塊接收來自音樂信號處理模塊轉(zhuǎn)

38、換的8路開關量信號，經(jīng)PLC內(nèi)部CPU處理，通過輸出模塊控制彩燈和變頻器，實現(xiàn)對變頻器的數(shù)字控制?？刂葡到y(tǒng)PLC的輸入/輸出點分配如表3-2和表3-3。序號點號 符合 意義1I0.0 Bit0音頻信號輸入2 I0.1 Bit1 音頻信號輸入3 I0.2 Bit2 音頻信號輸入4 I0.3 Bit3 音頻信號輸入5 I0.4 Bit4 音頻信號輸入6 I0.5 Bit5 音頻信號輸入7I0.6 Bit6 音頻信號輸入8 I0.7 Bit7音頻信號輸入9 I1.0 K0 啟動按鈕10 I1.1 K1 停止按鈕表3-2 PLC輸入點分配表序號點號符合意義1Q0.2KM11#水泵工作2Q0.3KM22

39、#水泵工作3Q0.6KA11#彩燈工作4Q0.7KA22#彩燈工作5Q1.0DIN1變頻器速度一6Q1.1DIN2變頻器速度二7Q1.2DIN3變頻器速度三8Q1.5AIN+變頻器運行表3-3 PLC輸出點分配表3.2.3 PLC控制接線圖啟動按鈕接入PLC的I1.0端子，停止按鈕接入I1.1端子，I0.0I0.7接收開關量信號，Q0.6和Q0.7端子直接控制兩個LED燈組的變換。Q0.2和Q0.3用來控制水泵的起停，Q1.0Q1.2用于控制變頻器的輸出頻率選擇。PLC硬件連接圖如圖3-4所示。圖3-4 PLC控制端子連接圖第4章 變頻器控制參數(shù)設計根據(jù)播放的音樂來控制水柱，達到水柱與音樂同步

40、的效果，而水柱是由水泵來控制的，水泵是由異步電動機組成的，異步電動機的轉(zhuǎn)速如果通入工頻電源，轉(zhuǎn)速是不變化的，變頻器是專門針對電機調(diào)速的裝置。由變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，使水柱發(fā)生變化。變頻器的主要任務是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動機的變頻調(diào)速的需要，本系統(tǒng)中變頻器主要用來接受來自經(jīng)PLC處理的音樂控制信號，輸出頻率不同的交流電，從而使水泵的噴水狀態(tài)不斷變化，實現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài)。4.1 MM420變頻器操作面板利用BOP可以更改MM 420變頻器的各個設置參數(shù)。BOP具有5位數(shù)字的7段現(xiàn)實，用于顯示參數(shù)的序號和數(shù)值、報警和故障信息以及該參數(shù)的設定值和實際值，B

41、OP不能存儲參數(shù)的信息。BOP上的按鈕以及功能說明見表4-1狀態(tài)顯示LCD 顯示變頻器當前的設定值。 起動變頻器按此鍵起動變頻器。缺省值運行時此鍵是被封鎖的。為了使此鍵的操作有效，應設定P0700 = 1。停止變頻器OFF1：按此鍵，變頻器將按選定的斜坡下降速率減速停車.缺省值運行時此鍵被封鎖；為了允許此鍵操作，應設定P0700 = 1。OFF2：按此鍵兩次（或一次，但時間較長）電動機將在慣性作用下自由停車。此功能總是“使能”的。 改變電動機的轉(zhuǎn)動方向按此鍵可以改變電動機的轉(zhuǎn)動方向。電動機的反向用負號（）表示或用閃爍的小數(shù)點表示。缺省值運行時此鍵是被封鎖的，為了使此鍵的操作有效，應設定 P07

42、00 = 1。 電動機點動在變頻器無輸出的情況下按此鍵，將使電動機起動，并按預設定的點動頻率運行。釋放此鍵時，變頻器停車。如果變頻器/電動機正在運行，按此鍵將不起作用。 功能此鍵用于瀏覽輔助信息。變頻器運行過程中，在顯示任何一個參數(shù)時按下此鍵并保持不動2 秒鐘，將顯示以下參數(shù)值（在變頻器運行中，從任何一個參數(shù)開始）：1. 直流回路電壓（用d 表示 單位：V）2. 輸出電流（A）3. 輸出頻率（Hz）4. 輸出電壓（用 o 表示 單位：V）。5. 由P0005 選定的數(shù)值（如果P0005 選擇顯示上述參數(shù)中的任何一個（3，4，或 5），這里將不再顯示）。連續(xù)多次按下此鍵，將輪流顯示以上參數(shù)。跳轉(zhuǎn)

43、功能在顯示任何一個參數(shù)（rXXXX 或PXXXX）時短時間按下此鍵，將立即跳轉(zhuǎn)到r0000,如果需要的話，您可以接著修改其它的參數(shù)。跳轉(zhuǎn)到 r0000 后，按此鍵將返回原來的顯示點。 訪問參數(shù)按此鍵即可訪問參數(shù)。 增加數(shù)值按此鍵即可增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值。 減少數(shù)值按此鍵即可減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值. 表4-1 基本操作面板（BOP）上的按鈕及其功能134.2 變頻器參數(shù)設置方法用BOP可以更改參數(shù)的數(shù)值，下面以更改過濾功能參數(shù)P0004為例介紹數(shù)值的更改步驟，見表4-2；并以選擇命令/設定值源P0719為例說明如何修改參數(shù)的數(shù)值，見表4-3。按照表4-2和表4-3中說明的類似方法，可以用B

44、OP修改任何一個參數(shù)。表4-2 改變過濾功能參數(shù)P000413 表4-3 修改選擇命令/設定值源下標參數(shù)P0179134.2 變頻器參數(shù)設置一般涉及到的參數(shù)有：電機參數(shù)，可參考電機銘牌，如電機額定的電壓、功率、電流、轉(zhuǎn)速等。選擇控制電機啟動、停止方式，如通過變頻器面板還是端子。選擇變頻器運行頻率控制方式，如變頻器面板、電位器（ 需設置對應頻率范圍） 還是若干個固定頻率（ 通過變頻器端子選擇對應頻率） 。變頻器運行最小、最大頻率，加、減速時間等。變頻器控制方式。在本系統(tǒng)中需要是設置的參數(shù)有：（1） P0010參數(shù)為“30”， P0970參數(shù)設定為“1”，變頻器復位到工廠設定值（2） P0003參

45、數(shù)為“2”擴展用戶的參數(shù)訪問范圍（3） P0700參數(shù)為“2”由模擬端子/數(shù)字輸入控制變頻器（4） P0701參數(shù)為“17”BCD碼選擇+ON命令（5） P0702參數(shù)為“17”BCD碼選擇+ON命令（6） P0703參數(shù)為“17”BCD碼選擇+ON命令（7） P0704參數(shù)為“1”正轉(zhuǎn)啟動（8） P1000參數(shù)為“3”固定頻率設定值（9） P1001參數(shù)為“20”固定頻率1為20Hz（10） P1002參數(shù)為“25”固定頻率2為25Hz（11） P1003參數(shù)為“30”固定頻率3為30Hz（12） P1004參數(shù)為“35”固定頻率4為35Hz（13） P1005參數(shù)為“40”固定頻率5為40

46、Hz（14） P1006參數(shù)為“45”固定頻率6為45Hz（15） P1007參數(shù)為“50”固定頻率7為50Hz4.3 變頻器控制說明4.3.1 系統(tǒng)參數(shù)設計說明變頻器由數(shù)字信號控制，將P0700參數(shù)設置為“2”，控制編碼形式為BCD碼，實現(xiàn)變頻器對水泵電機多段調(diào)速控制。變頻信號由PLC發(fā)出，接入變頻器為用戶提供的3個完全可編程的數(shù)字輸入端，3個數(shù)字輸入量控制變頻器的7種頻率輸出，通過參數(shù)設置7種不同的固定頻率。數(shù)字信號經(jīng)光電隔離輸入CPU，處理后通過逆變器實現(xiàn)對電機的控制。變頻器設置水泵正轉(zhuǎn)啟動。數(shù)字輸入與對應頻率如表4-4所示DIN11010101DIN20110011DIN3000111

47、1頻率值（Hz）20253035404550表4-4 數(shù)字輸入與對應頻率4.3.2 相關參數(shù)的說明（1）為了把變頻器的全部參數(shù)復位為工廠的缺省設定值，應按照下面的數(shù)值設定參數(shù)（用BOP，AOP 或必要的通訊選件）：1. 設定P0010 = 302. 設定P0970 = 1（2）P0003參數(shù)為“2”，變頻器的參數(shù)有4個用戶訪問級；即標準訪問級，擴展訪問級，專家訪問級和維修級。訪問的等級由參數(shù)P0003 來選擇。對于大多數(shù)應用對象，只要訪問標準級（P0003 = 1）和擴展級（P0003=2）參數(shù)就足夠了。每組功能中出現(xiàn)的參數(shù)號取決于P0003 中設定的訪問級。該參數(shù)的最小值為0，最大值為4，缺

48、省值為1。0 用戶定義的參數(shù)表1 標準級：可以訪問最經(jīng)常使用的一些參數(shù)。2 擴展級：允許擴展訪問參數(shù)的范圍，例如變頻器的 I/O 功能。3 專家級：只供專家使用。4 維修級：只供授權(quán)的維修人員使用-具有密碼保護。（3）P0700參數(shù)為“2”，選擇數(shù)字的命令信號源（最小值：0；缺省值：2；最大值：6）。改變這一參數(shù)時，同時也使所選項目的全部設置值復位為工廠的缺省設置值。例如：把它的設定值由1 改為2 時，所有的數(shù)字輸入都將復位為缺省的設置值?？赡艿脑O定值：0 工廠的缺省設置1 BOP（鍵盤）設置2 由端子排輸入4 通過 BOP 鏈路的USS 設置5 通過 COM 鏈路的USS 設置6 通過 CO

49、M 鏈路的通訊板（CB）設置（4）P0701參數(shù)為“17”，用來選擇數(shù)字輸入 1 的功能。該參數(shù)的最小值為0，最大值為99，缺省值為1。本系統(tǒng)中設置P0701為“17”即固定頻率設定值（二進制編碼的十進制數(shù)（BCD 碼）選擇 + ON 命令）?？赡艿脑O定值：0 禁止數(shù)字輸入1 ON/OFF1（接通正轉(zhuǎn) / 停車命令1）2 ON reverse /OFF1（接通反轉(zhuǎn) / 停車命令1）3 OFF2（停車命令2） - 按慣性自由停車4 OFF3（停車命令3） - 按斜坡函數(shù)曲線快速降速停車9 故障確認10 正向點動11 反向點動12 反轉(zhuǎn)13 MOP（電動電位計）升速 （增加頻率）14 MOP 降速

50、（減少頻率）15 固定頻率設定值（直接選擇）16 固定頻率設定值（直接選擇 + ON 命令）17 固定頻率設定值（二進制編碼的十進制數(shù)（BCD 碼）選擇 + ON 命令）21 機旁/遠程控制25 直流注入制動29 由外部信號觸發(fā)跳閘33 禁止附加頻率設定值99 使能 BICO 參數(shù)化（5）P0702參數(shù)為“17”，用來選擇數(shù)字輸入2的功能。該參數(shù)的最小值為0，最大值為99，缺省值為12。本系統(tǒng)中設置P0702為“17”即固定頻率設定值（二進制編碼的十進制數(shù)（BCD 碼）選擇 + ON 命令）。可能的設定值同參數(shù)P0701設置說明。（6）P0703參數(shù)為“17”，用來選擇數(shù)字輸入3的功能。該參數(shù)

51、的最小值為0，最大值為99，缺省值為9。本系統(tǒng)中設置P0703為“17”即固定頻率設定值（二進制編碼的十進制數(shù)（BCD 碼）選擇 + ON 命令）。可能的設定值同參數(shù)P0701設置說明。（7）P0704參數(shù)為“1”，用來選擇數(shù)字輸入 4 的功能。該參數(shù)的最小值為0，最大值為99，缺省值為0。本系統(tǒng)中設置P0704參數(shù)為“1”，即1 ON/OFF1（接通正轉(zhuǎn) / 停車命令1）。可能的設定值0 禁止數(shù)字輸入1 ON/OFF1（接通正轉(zhuǎn) / 停車命令1）2 ON reverse /OFF1（接通反轉(zhuǎn) / 停車命令1）3 OFF2（停車命令2） - 按慣性自由停車4 OFF3（停車命令3） - 按斜坡

52、函數(shù)曲線快速降速停車9 故障確認10 正向點動11 反向點動12 反轉(zhuǎn)13 MOP（電動電位計）升速 （增加頻率）14 MOP 降速（減少頻率）21 機旁 / 遠程控制25 直流注入制動29 由外部信號觸發(fā)跳閘33 禁止附加頻率設定值99 使能 BICO 參數(shù)化（8）P1000參數(shù)為“3”，該參數(shù)用來選擇頻率設定值的信號源。在下面給出的可供選擇的設定值表中，主設定值由最低一位數(shù)字（個位數(shù)）來選擇（即 0 到 6），而附加設定值由最高一位數(shù)字（十位數(shù)）來選擇（ 即 x0 到 x6，其中，x=16）。只有一位數(shù)字時，表示只有主設定值，沒有附加設定值。本系統(tǒng)設置P1000參數(shù)為“3”選擇固定頻率設定

53、值 （9）P1001參數(shù)為“20”，該參數(shù)用來定義固定頻率 1 的設定值。為了使用固定頻率功能，需要用P1000 選擇固定頻率的操作方式，在“直接選擇”的操作方式（P0701 - P0703= 15）下，還需要一個ON 命令才能使變頻器投入運行。有三種選擇固定頻率的方法：1. 直接選擇2. 直接選擇 + ON 命令3. 二進制編碼選擇 + ON 命令1 直接選擇（P0701 - P0703 = 15）在這種操作方式下，一個數(shù)字輸入選擇一個固定頻率。如果有幾個固定頻率輸入同時被激活，選定的頻率是它們的總和。例如： FF1 + FF2 + FF32 直接選擇 + ON 命令（P0701 - P0703 = 16）選擇固定頻率時，既有選定的固定頻率，又帶有 ON 命令，把它們組合在一起。在這種操作方式下，一個數(shù)字輸入選擇一個固定頻率。如果有幾個固定頻率輸入同時被激活，選定的頻率是它們的總和。例如： FF1 + FF2 + FF33 二進制編碼的十進制數(shù)（BCD 碼）選擇 + ON 命令（P0701 - P0703 = 17），使用這種方法最多可以選擇7 個固定頻率。各個固定頻率的數(shù)值根據(jù)表4-5所示選擇。DIN3DIN2DIN1OFF不激活不激活不激活P1001FF1不激活不激活激活P1002FF2不激活激活不激活P1003FF3不激活激活激活P1004FF4激活不激活不激